英飞凌EconoDUAL3及EconoPACK IGBT模块驱动和保护电路的设计(2)

3电气特性
下面的章节将描述评估板的设计。请注意下面的段落，描述的2ED100E12-F2电路已被修改，最后修订版本为AN IGBT4驱动模块，Vcesat 的检测减少干扰性误触发。相同的修改也被用到6ED100E12-12-F2电路
但PCB和元器件列表，在第7章中，仍然是最初的设计。
3.1电源
2ED100E12-F2和6ED100E12-F2有各自的集成DC-DC供电转换电路，DC/DC转换器通过一个15V单极性的输入电压，隔离输出不对称的电源电压+16 V /-8V。分别为高侧和低侧驱动提供电源。.此外，该电源设置了保护，以防止IGBT栅极 - 发射极短路。在DC / DC转换器的过载的情况下，当输出电压下降，欠压锁定功能保证了栅极驱动IC电路的安全，使IGBT启动 IC只能在指定的电源电压范围内工作。如若超出范围，锁定驱动IC输出，并外输出故障信号。
3.2输入逻辑 - PWM信号
专业的可塑性的IGBT模块的评估驱动板。是必要的， EconoDUAL TM 3 IGBT模块用两个独立的PWM信号驱动和EconoPACK TM + IGBT模块用六个独立的PWM信号驱动。每路IGBT通道的单独单路驱动。单个驱动器原来图部分如图6描绘。IGBT模块桥的高侧和低侧需要有正确的死区时间。这两种评估驱动板不提供死区时间生成。有关的栅极电阻的建议值按照Econo DUAL™3驱动板物料清单的表5，推荐的最小死区时间tTD为1μs。如果使用较大的栅极电阻，请参考[1] 在图6的中为正逻辑驱动器电路的的一部分。IN +被用作信号输入，而IN-是用作使能信号。因此，+5 V信号的IN + IN-输入引脚的输入引脚和GND信号的IGBT将是必要的。要操作输入引脚上的负逻辑的电容器C1和C2与整个电路以进行交换。否则，这将导致额外的延迟。IN+将作为一个使能信号。
3.3最大开关频率
IGBT的开关频率是有限制的，由最大驱动电压时的输出功率，或由PCB由于外部栅极电阻的功率损失的最高温度决定。这些的栅极电阻中的功率损耗取决于在IGBT的栅极电荷，栅极电压的大小和对IGBT的开关频率。由于在外部的栅极电阻的功率损耗，将产生热，从而导致这些电阻在附近的PCB温度增加。该温度必须不高于一个标准的FR4材料的印刷电路板，即105℃的最高温度。
栅极电阻的功率损耗可以通过利用公式（1）计算：
PDIS=P（REXT）+ P（REXT）：=ΔVOUT * FS * Qĝ       （1）
其中：
PDIS=消耗的功率
P（REXT）=功率消耗外部栅极电阻
P（RINT）=耗散功率的内部栅极电阻
Δ Vout   =在驱动器输出的电压
Fs      =开关频率
Qg = IGBT栅极电荷的栅极电压范围
完整的栅极电阻应由IGBT内部的栅极电阻器与外部的栅极电阻组成，由于IGBT的驱动功率损失的一部分将被直接消散在PCB上，而其他部分的损失将被消散到外部周围的空气。消散内部的损失的比率P（R INT ）和外部的P（R EXT ）直接对应的上述R的的比值。在栅极电压-8 / +16 V范围内，Qge的数据值减少了20％。
由于PCB的温度标准的功率消耗在外部栅极电阻P（REXT）的热设计。
基于实验确定的板温度以下的热电阻的评估板已在图7中所示的计算。
热电阻，栅极电阻，以PCB：R thRG-PCB = 45 K / W
热电阻，栅极电阻，以环境：R thRG-AMB = 39 K / W
使用这些值，它是可能的，以确定最大的电路板的温度，外部栅极电阻，最大的环境温度和最大PCB温度是已知的，如果功率损耗： TAMB：环境温度
ŢPCB    板PCB温度
Ţg       PCB温度附近的外部栅极电阻

3.4 推挽驱动输出
图8示出了两对互补三极管，用于推挽放大IGBT驱动，IC1的输出信号。这可使IGBT驱动，相比直接IC驱动获得更大的驱动电流。两个NPN晶体管用于开通IGBT，两个PNP晶体管用于关断IGBT。
三极管参数应提供足够的峰值电流来驱动所有的600 V和1200 V EconoDUAL™3与EconoPACK™+模块。
峰值电流可以根据 式（2）计算出。 栅极电阻被连接在驱动输出之间和IGBT模块的栅极。建议值列在Econo DUAL™3驱动板物料清单表5和表7。
对于某些模块它们电阻为0欧母，这种情况下，只是一个跳线连接。如果电阻必要的，应注意，这些电阻器应有一个合适的重复脉冲功率，以避免降级。

3.5短路保护和有源钳位
评估驱动板短路保护，基本上依赖于检测的电压电平是否高于9 V并动作 ，并把检测信号供给1ED020I12-F的驱动器IC（2）脚和实施的有源钳位功能。由于此操作模式下，集电极 - 发射极间的过压这一个结果，是有杂散电感和集电极电流有限斜率决定。过压支路在输出作为杂散电感，电流和直流电压的对应变化。图9示出了所需的饱和度降低功能和有源钳位电路的部分。EconoDUAL TM 3驱动板，以避免在转弯序列的旁路电流。 有源钳位是一种技术，它使瞬态过压低于IGBT关键限制值IGBT被关断。有源钳位标准方法是：IGBT模块的集电极和栅极分别反向连接雪崩二极管。如图9，当集电极-发射极电压超过雪崩二极管，二极管反向击穿，两路检测经过二极管电流汇集后输出到D581。雪崩二极管钳位限制过压时的高峰值电流。并减慢dIc/dt形成的尖峰过冲电压。
在图10a中示出FF600R12ME4模块在室温下没有任何过压限制功能并在短路条件下一个典型的关断波形。
如图10b所示在短路条件下在室温环境下具有有源钳位功能的典型波形。 3.6故障输出
当发生短路时，检测到IGBT VCE饱和电压上升，通过饱和保护1ED020I12-F输出和IGBT输入被关闭。故障发生后，输出一个低电平有效信号，报告给初级侧的驱动电路，并通过R12点亮红色LED，以表示发生故障情况。只要驱动输入没有被复位，FLT状态仍然有效。/ FLT信号是低电平有效，有原理图可以看出，在图11中。 3.7温度测量
这两个类型的模块嵌入了内置的NTC热敏电阻，IGBT驱动板提供的底板温度测量范围为-40°C～150°C。这两个的评估驱动板适合马台驱动变频器。温度检测有外接AD采样。采用AD8512如图12所示。 表3 Σ/ΔAD转换的元器件物料清单 本设计的所有的电子部件采用无铅器件，260°C的焊接温度曲线。电阻器的公差应小于或等于±1％，C0G小于或等于±5％的电容器的类型和类型X7R小于或等于±10％的电容器。使用的基板温度和一个热模型，可估计的结温。为此目的所需的热模型的复杂性依赖于应用程序和散热器条件以及要求精度和动态响应。图13中所示的输出电压之间的关系，和基板温度为0。 注意：此温度测量是不适合于短路检测或短期过载，但也可用于从长期的过载条件下或冷却系统故障保护模块。